6、压电式传感器.ppt

第五章 压电式传感器 利用压电式传感器进行测量时，由于它要与测量电路相连接，于是应考虑电缆电容Cc，放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻Ra，从而可以得到压电传感器完整等效电路。 Q Ca Ra Cc Ri Ci 压电传感器产生的电荷很少，信号微弱，而自身又要有极高的绝缘电阻，因此需经测量电路进行阻抗变换和信号放大，且要求测量电路输入端必须有足够高的阻抗和较小的分布电容，以防止电荷迅速泄漏，电荷泄漏将引起测量误差。 ± U Ca Ra Cc Ri Ci 第五章 压电式传感器 §6-3 压电式传感器的测量线路 根据压电式传感器的工作原理及其等效电路，它的输出可以是电压信号也可以是电荷信号，因此设计前置放大器也有两种形式：一种是电压放大器，其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；另一种是电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。 第五章 压电式传感器 一、电压放大器 左图为电压放大器电路简化等效电路图，图中 ± U Ca R C Usc Usr ?A ； 如果压电元件受作用力的为交变力 F＝Fm ·Sinωt Fm — 作用力幅值 。则产生的电荷与电压均按正弦规律变化（压电元件是压电陶瓷在其电轴上作用交变力） Q＝d33F； d33—压电系数 。 则压电元件上产生的电压值 ： 第五章 压电式传感器 根据上面的电路，可得到前置放大器的输入电压Usr，写成复数形式 ： 则前置放大器输入电压的幅值Usrm为： 输入电压与作用力之间相位差为： 假设在理想情况下，传感器绝缘电阻Ra和前置放大器的输入电阻Ri都为无限大，即等效电阻R为无限大的情况。（电荷没有泄漏、传感器开路）。 则前置放大器输入电压 ： 这样放大器的实际输入电压Usrm与理想情况的输入电压Uam之幅值比为： 第五章 压电式传感器 取： 下限频率为： 传感器的电压灵敏度 ： 因为 ，则 第五章 压电式传感器 结论： （1）当ω＝0（作用在压电元件上的力是静态力），则放大器输入电压等于零，这意味着电荷被泄漏，从原理上这时压电传感器不能测静态量； （2）当 ωR3，可近似看作放大器输入电压与作用力的频率无关，（被测物理量变化频率越高越能满足上述条件），可见压电式传感器高频响应非常好。 （3）为扩大低频响应范围，必须尽量提高回路的时间常数，但不能提高电容，否则电压灵敏度会下降，因此只能提高电阻。主要取决于前置放大器的输入电阻，放大器输入电阻越大，测量回路的时间常数越大，传感器的低频响应越好。 电压放大器电路简单，元器件少、价格便宜、工作可靠，但电缆长度不能长，增加电缆长度会降低传感器的电压灵敏度，而且不能随便更换出厂时规定的电缆，一旦更换电缆，必须重新校正灵敏度，否则将引起测量误差。 第五章 压电式传感器 第五章 压电式传感器 二、电荷放大器 用电压放大器作为前置变换电路使得输出USC不仅与电荷量有关，还与连接电缆等分布参数如CC有关，所以系统的互换性不好，采用电荷放大器就可以较好地解决这个问题。 电荷放大器实际上是一个具有深度负反馈的高增益运算放大器。 当放大器开环增益和输入电阻、反馈电阻相当大时，放大器的输出电压Usc正比于输入电荷Q。 第五章 压电式传感器 ①基本电路（ A无限大、Ri无限大的理想放大器） ②系统的实际等效电路分析（ A有限大、C=Cc + Ca + Ci，忽略等效电阻) A为运放的开环增益，一般为104～106。 结果与C无关。 - 第五章 压电式传感器 式中 Ca—传感器压电元件的电容；Cc—电缆电容 Ci—放大器输入电容；Cf—放大器反馈电容 Gi —输入电导; Ga —漏电导; Gf —反馈电导; A—放大器的开环增益 Q Ca Ra Cc Ri Ci Cf Rf A 电荷放大器实际等效电路图： Usc 第五章 压电式传感器 当A足够大，则： 则 ： 高频时： 低频时： 截止频率： 第五章 压电式传感器 高频时，电荷放大器的输出电压仅与电荷量和反馈电容有关，只要保持反馈电容的数值不变，输入电压就正比于输入电荷量，且当（1+A）Cf 10（Ca+Cc+Ci）以上时， ① 可认为传感器的灵敏度与电缆电容无关，更换电缆和使用较长电缆（数百米）时，无需重新校正传感器灵敏度。 Rf（约1010～1014Ω）提供直流反馈； 电荷放大器的时间常数RfCf相当大（105S以上），下限截止频率fL=1/(2πRfCf) ，